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摘要:西南地區農業灌溉因復雜山地坡度和高差不同造成灌溉效率低下、水資源及勞動力浪費等問題，通過分析山地高差、坡度區別和滴灌壓力、流量設計，實現了丘陵山地分區實時精準農業灌溉。為此，重點研究山地區域不同對應農業滴灌流量和壓力參數不同的精準滴灌系統，優化太陽能低損耗、精準檢測土壤含水率、遠程控制，以及無線傳感網絡等核心技術與關鍵部件。試驗結果表明:根據區域劃分，實時監測土壤含水率高于或者低于土壤水分所需值時，系統能通過遠程控制方式開啟或者關閉滴灌電磁閥，同時通過GSM網絡將采集到的數據信息以短消息的方式發送到終端，達到山地分區實時精準灌溉和監控的目的。該研究彌補了丘陵山地傳統農業灌溉方式的不足，為我國精準農業技術的發展提供了參考。

關鍵詞:精準農業;智能分區;丘陵山地;精準灌溉;遠程監控

0引言

伴隨著我國“精準農業”概念的深入，精準農業的實現取決于農業精準灌溉技術［1－3］。傳統農業灌溉過程中灌溉控制系統依賴于人為勞動操作，系統能源消耗高，且管理困難［4－8］。近年來，國內對土壤含水率監控的研究有所突破，多數停留在對土地大面積土壤含水率的監測，對影響種植物生長發育的實時土壤含水率的監控和西南地區山地土壤含水率監測研究很少［9－11］。若對大面積復雜山地實施有線實時監控，存在布線成本急劇增加的問題，也不利于山地作業［12－13］。重慶幾乎每年夏季都要遭受1個月左右的伏旱天氣，對山地種植物進行有效灌溉，是保證種植物產量和品質的前提。目前，山地灌溉方式介于補充灌溉和統一灌溉范疇，存在著人力資源浪費、灌溉控制系統能源消耗高及水資源無法實現高效率灌溉等不足，導致山地農作物種植減產［14－15］。本系統研究設計了一套具有復雜山地分區實時精準灌溉及數據信息處理功能的灌溉控制系統。該系統實現分區精準滴灌的自動化和智能化，對復雜山地土壤含水率實施實時監控，提高水資源灌溉效率，降低人力資源需求，對西南地區進一步走向精準農業及智能節水灌溉有一定的現實意義。

1系統總體設計

本文設計的山地分區精準滴灌及數據信息處理系統設計思路:在農業灌溉控制系統中引入分區灌溉概念，針對高差、坡度不同的復雜山地，進行區域的劃分;四面形山地可分為東南西北4個區域，每個區域設置不同的灌溉壓力和流量，可根據各個區域實時土壤含水率進行分別滴灌。區別傳統統一灌溉，自動滴灌系統將土壤水分傳感器、水源工程、電磁閥、控制器及滴灌管網等部分集成一起，提高水資源灌溉效率。系統采用太陽能電池及蓄電池作為主要電能供給平臺，引入ZigBee無線傳感網絡技術和GSM無線傳輸技術，通過ZigBee無線傳感網絡實現各個區域的土壤水分實時數據收集;利用GSM無線傳輸技術將土壤實時數據信息進行遠程傳輸至終端，終端對數據分析處理，決策土壤當前實時區域操作，達到在節省人力資源的同時實現滴灌控制系統的自動化和智能化的目的。該系統主要由太陽能電源子系統、自動滴灌子系統及數據信息傳輸子系統3部分組成。太陽能電源子系統作為系統主要電能供給平臺，在控制器的作用下將太陽能電源輸出電壓轉換為其他子系統所需求的電壓，實現按需供壓。自動滴灌子系統以自來水作為水源，首部樞紐主要包括施肥裝置、過濾器、控制閥、截止閥、止回閥及壓力表等部分;輸配水管網主要包括主干管、干管、滴灌管、支管及毛管等3級管道部分，還包括相應的三通、直通及彎頭等部件，以實現對土壤含水率的實時監測并管理電磁閥進行自動按需滴灌。數據信息傳輸子系統對山地土壤含水率進行檢測及自動無線傳輸，實現檢測模塊與終端之間的數據傳輸。

1．1太陽能電源子系統

太陽能電源子系統作為整個系統的電能供應平臺，主要由太陽能電池板、蓄電池、太陽能控制器、逆變器及變換器等組成。其充分發揮太陽能逆控一體機的市電互補功能(太陽能充足時，通過逆控一體機對蓄電池進行電能的存儲;反之，太陽能不足時，則由市電對蓄電池進行電能的存儲)，為蓄電池提供穩定平滑的充電電壓。經蓄電池的輸出電壓一部分輸出到變換器，為系統其他直流模塊進行供電，另一部分逆變為交流電，為負載水泵(如電磁閥供需電壓為12V)供電。本系統采用雙蓄電池構造，通過減少對蓄電池充放電次數的方法來實現太陽能與蓄電池之間的電能高效傳輸及延長電源的使用壽命的目的。即將蓄電池的充電過程和放電過程分開進行，一塊蓄電池處于充電過程時，另一塊蓄電池處于放電過程，當放電的蓄電池電壓降到供壓下限值時，對放電和充電的蓄電池工作過程進行切換，保持一塊充電，一塊放電，完全分離工作，確保系統正常穩定的運行。

1．2自動滴灌子系統

根據試驗場地的氣候參數、種植物生長必需條件等因數來設定自動滴灌子系統的參數。利用水利計算方法來選定滴灌管徑的大小、灌水器的類型、滴灌管網鋪設長度及出水量等參數。在西南地區復雜的山地滴灌過程中，由于山地高差、坡度不一致，對土壤水分保持率也不一致，故對試驗場地進行分區滴灌試驗，具體分為東區滴灌區域、西區滴灌區域、南區滴灌區域及北區滴灌區域。自動滴灌子系統主要由電源模塊、水源工程、土壤水分傳感器、控制模塊、滴灌管網及電磁閥等構成。電源模塊由太陽能電源子系統提供所需電壓，土壤水分傳感器選用型號為ARN－100水分傳感器，實現山地土壤的含水率實時監測。為降低系統電能消耗，電磁閥選用久諾閥門有限公司研發生產的型號ZCZP－25自保持式電磁閥，管徑25mm，工作電壓為12V，具有兩個獨立的線圈，分別實現電磁閥的關閉與打開，并保持通斷狀態;狀態不變換的情況下，不需要電能供應，且狀態切換反應時間在1s左右，電磁閥線圈接收到12V的升壓信號，可實現電磁閥當前狀態的改變。在自動滴灌子系統設計中，選擇4m×6m為一個滴灌單元。考慮到實驗場地具體面積及精準滴灌的要求設計，該試驗基地地形復雜，坡度不均，除了管道正常的水頭損失外，還有很多不能預計的原因使壓力發生變化，所以要對系統進行全面的優化設計，為了防止水壓或流量的波動，需要在系統中配置一定的穩定裝置。一個滴灌單元共同使用一套土壤水分傳感器和電磁閥。滴灌系統管網主水管采用管徑為25mm的PVC管(聚氯乙烯管，參照確定的管道材料以及相應的管道規格標準，同時考慮到西南地區夏季溫度高，選取PVC管，其特點是管壁光滑、耐腐蝕、耐高溫、耐壓強度高等)，滴管采用管徑為16mm的PVC管，滴孔直徑設計為0．9mm，數量為4個，對稱的分布在滴管下方。在滴灌過程中，當土壤水分傳感器實時監測土壤含水率，根據監測到的數據信息進行實時按需灌溉，從而實現系統實時自動滴灌的目的。本系統設計的滴灌結構以具體面積為滴灌單元，能有效地節約土壤水分傳感器及電磁閥的投入，降低電源能量損耗，從而降低整個系統的前期建設成本及后期設備維護成本。

1．3數據信息傳輸子系統

數據信息傳輸子系統主要功能是將土壤含水率及相關數據信息通過GSM無線傳輸方式發送到終端，實現監測端與終端之間的監測數據信息實時傳輸。數據信息傳輸子系統由3層階級構成:土壤含水率檢測模塊看作底層階級;中間階級是數據收集階級，也即GSM階級;頂層階級為終端處理階級。通過土壤水分傳感器檢測土壤含水率，利用ZigBee無線傳感網絡向GSM階級傳輸底層階級的數據信息，GSM階級再統一發送匯集數據到頂層階級，即終端。其中，系統中Zig-Bee無線傳感網絡模塊選用的是型號為MRF24G40MA器件，使用規定的無線傳感網絡協議，能實現數據的有效匯聚與傳輸。

2硬件結構設計

2．1電源穩壓模塊系統

采用太陽能逆控一體機作為電池主要控制器件，保證蓄電池有穩定的輸出電壓。其中，選用的太陽能電池板是廣州兆天有限公司研發生產的多晶太陽能電池板(額定電壓9V，上限電流0．34A)，通過金屬桿樹立支撐，樹立高度以高于種植物30cm為準;選用的蓄電池為新能源科技公司研發生產的聚合物鋰電池(單節鋰電池的標稱電壓3．7V，單節鋰電池的容量3．5A•h)。由于系統其他模塊需求電壓不一致，故系統設計了穩定的升壓穩定電路和降壓穩定電路，當鋰電池隨著時間推移，輸出電壓出現波動時，仍能為系統提供穩定電壓。升壓電路和降壓電路如圖3和圖4所示。

2．2電磁閥模塊

為了實現系統低功耗，故本系統的中央處理器選用了一款低電壓、低功耗及適用范圍廣等特點的單片機—STM32F103單片機。該單片機屬于Cortex－M3系列芯片，其正常工作頻率f為72MHz，正常工作電壓為2．0～3．6V，在系統中作為核心控制器。系統試驗場地分為東、西、南、北4個滴灌區域，每兩個滴灌區域的山地高差和坡度不同，所以電磁閥的設置參數也不同，各個區域的滴灌參數也不同。圖5中，利用水分傳感器監測得出土壤含水率參數值，與系統設定值作對比，得出對比結果，通過對比結果決定出單片機輸出高電平或低電平，從而控制電磁閥的工作狀態。圖6中，電路中A11、A12為電磁閥A11、電磁閥A12接口，J1為土壤水分傳感器檢測輸入接口，J2為ZigBee無線傳感網絡模塊接口，J3為GSM無線傳輸接口，電路圖中A、B、C、D4個I/O口分別指東區、南區、西區、北區4個區域的電磁閥控制端口。

3系統軟件設計

系統軟件設計主要分為主程序、土壤含水率檢測程序、ZigBee無線傳感網絡程序和GSM無線傳輸程序等4個部分。

4系統參數設計

4．1土壤水分傳感器的標定

選取適量的實驗場地土壤，用烘干裝置將其烘干至恒定質量，加入適量水攪拌配制成已知含水率的實驗土壤，拌勻之后放置于密閉容器中存放，存放時間為24h，然后獲得土壤含水率;與此同時，測量土壤水分傳感器的輸出電壓，形成數據;重復上述過程，收集數據，進而得到傳感器的標定結果。

4．2滴灌系統壓力分布

工程實際案例中，所有管道系統幾乎都是由很多等直管段和一些管道附件連接在一起組成的，因此在一個管道系統中，存在沿程損失和局部損失。分支管道壓力分布計算:1)通過選取水頭損失最大的管道的末端作為測量點，得出最小工作壓力;2)在最小工作壓力的基礎上，分段加上該管段的水頭損失即上一節點的壓力水頭;3)依次類推，計算到管道進口需要的壓力水頭。為了保證各個分流點的灌水均勻度，沿最大水頭損失分支上的總水頭損失不超過進口壓力水頭損失的20%。在均勻坡度情況下，最大壓力出水口是最后一個出水口。

4．3系統灌水定額設計

系統灌水定額的設計是為了在滴灌過程中做到充分灌溉，同時不浪費水資源，實現水資源灌溉最大效率化。灌水定額是指單位面積土壤一次灌水的用水量(m3/hm2)或者一次灌水過程中水能夠達到的水層深度(mm)。灌水定額設計是指最大灌水定額，以該參數作為灌溉設計依據。

4．4系統單次滴灌時間的確定

系統單次滴灌時間主要針對兩個方面，一方面是滴灌的時間選擇，另一方面是滴灌時間的長短。在西南地區夏季時，存在著1個月左右的旱季，滴灌的時機選擇顯得尤為重要，系統的具體灌溉時間節點根據土壤作物類型及土壤質地來設置，本系統中設置了遠程實時監控功能，能實時控制灌溉時間，從而實現實時遠程控制。

4．5GSM無線傳輸網絡丟包率測試

數據傳輸網絡的丟包率，采用多次測量求平均值的方法進行檢驗。根據試驗場地的實際情況，試驗時在東、西、南、北4個區域分別布署1個傳感器節點(實際應用中需根據山地面積大小確定傳感器數量)，布署1個匯聚節點。為了保證試驗精度，設定傳感器節點每隔20min進行一次采集和發送數據，計算無線傳輸過程中網絡丟包率，連續進行試驗，以測定系統通信穩定性能。

5系統效果及創新點

本農業滴灌系統經過調試安裝完畢后，對試驗場地進行完整的效果檢驗:系統可實現自動滴灌控制，實現了分區的精準滴灌。系統的創新點主要表現在以下兩點:1)根據復雜山地的不同區域，高差及坡度不同，系統設計了流量和壓力不同的滴灌系統。分區農業滴灌區別于傳統滴灌方式，不再采用統一滴灌，實現了精準滴灌，提高了水資源的灌溉效率，為山地滴灌技術發展提供借鑒作用。2)系統優化了農業滴灌系統中太陽能作為主要能源供給的能源損耗、遠程傳輸數據的丟包率，提高了土壤含水率檢測技術的精確性。6結論與討論1)系統針對復雜山地的高差及坡度不同，將山地進行區域劃分，各個區域進行土壤水分實時監測，利用ZigBee無線傳感網絡進行信息收集，通過GSM無線傳輸技術進行數據信息遠程傳輸至終端，終端決策對各個區域實行按需分別滴灌，實現節約水資源的目的。2)研究構成自動農業滴灌系統，將土壤水分傳感器、控制器、電磁閥等模塊集成化，實現自動滴灌，提高水資源灌溉效率。3)采用市電互補功能的太陽能電源作為整個系統的電能供應平臺。太陽能充足時，通過太陽能對蓄電池進行電能的存儲;太陽能不足時，則由市電對蓄電池進行電能的存儲。本系統實現了按需精準農業灌溉和實時監控的效果，達到了設計的目的，促進了西南地區山地農業灌溉系統的發展，很大程度地解決了節水灌溉工程中的能耗高、勞動力以及水資源浪費問題。系統試驗選用小范圍復雜山地效果可行，大面積復雜山地試驗效果及系統材料選型有待作進一步研究。

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作者：彭煒峰1，2a，2b;李光林2a，2b 單位：1．重慶水利電力職業技術學院，2．西南大學a．工程技術學院;b．丘陵山區農業裝備重點實驗室